美的内部资料―谐振及复位电路硬件设计指引(原标准号03.050)

美的家用空调国内事业部设计规范规范编号：QMN-J33.225-20091谐振及复位电路硬件设计指引（发布日期：2009-03-24）1范围本标准对谐振电路及复位电路的基本原理，各器件的参数计算选择，相关技术要求和实际使用中的有关问题进行了规定和阐述。本标准适用于美的家用空调国内事业部的空调控制器电路的设计。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡美的家用空调国内事业部设计规范规范编号：QMN-J33.225-20092是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB/T12274石英晶体振荡器总规范GB/T12859电子设备用压电陶瓷谐振器总规范GB/T12862电子设备用压电陶瓷谐振器分规范——高频压电陶瓷谐振器QMN-J52.021晶振和陶瓷谐振器技术条件（原标准号05.135）参考文献：《电子技术基础模拟部分（第四版）》主编康华光高等教育出版社《单片机复位电路的可靠性分析》作者：袁旭军庄松林文章出处：电子技术应用《单片机复位电路的可靠性设计》广州周立功单片机发展有限公司3定义无4总述4.1谐振电路典型的谐振电路是由一个迴路增益为1的放大器与频率选择网美的家用空调国内事业部设计规范规范编号：QMN-J33.225-20093路组成。谐振电路的建立并不太难，但是要建立一个品质良好的振荡器却并不容易。所谓的品质好，必须符合设计者的需求，并具有性能的可预期性。在我们美的空调电控设计中，应用的谐振电路是正弦波信号产生电路。我们直接使用陶瓷谐振器或石英晶体振荡器实现此正弦波振荡信号的产生。4.2复位电路单片机目前已被广泛地应用于家电、医疗、仪器仪表、工业自动化、航空航天等领域。为确保单片机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分。单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。复位电路的可靠性，是影响单片机系统运行稳定性的重要内因之一。5谐振电路设计5.1器件基本特性及特点5.1.1石英晶体谐振器石英晶体是一种各向异性的结晶体，它是硅石的一种，其化学成分是二氧化硅（SiO2）。从一块晶体上按一定的方向角切下的薄片称为晶片（可是正方形，矩形或圆形等）,然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板，就构成石英晶体产品，一般用美的家用空调国内事业部设计规范规范编号：QMN-J33.225-20094金属外壳密封，也有用玻璃壳封装的。石英晶片所以能做振荡电路是基于它的压电效应。在晶片极板间加交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电场。一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的尺寸）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，产生压电谐振现象，因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。石英晶体谐振器的一个可贵的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值，因而它的品质因素相当高，其他元件和杂散参数对振荡频率的影响极微，故频率稳定度很高，谐振频率的精度也很高。石英晶体怕机械震动,严重的震动会导致器件失效,频率漂移，应固定。不过，晶体的价格相对较为昂贵。5.1.2压电陶瓷谐振器在电子领域，陶瓷是一种令人称奇的通用材料，可用作绝缘体，沉积导体和电阻的衬底，还可用作多层电容器的介质。在某些陶瓷材料中，压电效应得到日益广泛的应用。陶瓷谐振器便是实际应用的例子。陶瓷谐振器具有如下一些特征：频率稳定度高——介于LC和晶体振荡器之间体积小，重量轻——只有LC或晶体元件的一半价格低对外部电路或电源的频率抗干扰度高美的家用空调国内事业部设计规范规范编号：QMN-J33.225-20095在很多频率控制应用中，压电陶瓷谐振器可以取代笨重的LC元件和昂贵的晶体。在美的空调的电控设计中，压电陶瓷谐振器的使用占了绝对的比例，所有的出口与内销定频空调控制器都是使用压电陶瓷谐振器。5.2电路设计及器件选择一般来说，除了对频率要求较高的电路外（如有定时要求的遥控器，变频压缩机控制等），绝大部分电路，我们都是选择使用低价的压电陶瓷谐振器。MCU的技术资料，一般都有推荐的时钟频率范围，甚至是具体推荐的频率值，我们据此选择出特定频率的压电陶瓷谐振器便可。许多MCU内部合成了倒相放大器，用来与外部晶体或陶瓷谐振器一起构成所谓的皮尔斯（Pierce）振荡器结构。图1（工作在1MHz到20MHz的标准皮尔斯振荡器）图1给出了MCU上使用的典型标准皮尔斯振荡器结构，晶体在1MHz到20MHz的频率范围。图1中，与非门有两个输入：一个连到MCU的OSC1脚，另一个连接到内部STOP上。美的家用空调国内事业部设计规范规范编号：QMN-J33.225-20096对于振荡电路来说，必须有正反馈，且闭环增益必须比1大。电阻R0导致了负反馈，增大了放大器的开环增益需求。R0通常尽量的大，以将反馈减到最小，同时克服上电时的电流泄漏。当使用1MHz至20MHz的晶体时，R0应该在1MΩ至20MΩ的范围里。对于陶瓷谐振器，R0一般用1MΩ。共振器Q和电容C1、C2构成了共振回路。C1、C2代表了外部电容和任何并行的寄生电容。晶体和陶瓷共振器的信号等效电路，如图2所示。R是串联电阻，L和C是起动串联电感、电容。C0是分流电容，它代表了晶体盒中谐振器和寄生电容的低频并联电容量的总和。任何在OSC1和OSC2引脚之间的附加寄生电容都包括在这个值里。晶体制造商的数据手册里详细说明了特殊晶体中R，L，C和C0的值。为了测量这些值，制造商必须给晶体送信号，也就是从晶体里功率消耗的特殊电平中获得。然而，在晶体启动时，通过晶体的唯一信号应归于热噪声，因此晶体里的功率消耗是非常低的。众所周知，当晶体内功率消耗减少到低水平时R的有效值可以增长。因此R的最大值由晶体制造者来估计。R0，C1，C2的值可从各制造商的数据手册里得到精确的元件结构及推荐参数值。C1,C2影响晶振的频率稳定度与温度系数,频率误差,选择上要加以注意匹配。美的家用空调国内事业部设计规范规范编号：QMN-J33.225-20097图2晶体等效电路目前我们使用的主要是三脚的陶瓷谐振器，C1，C2电容，厂家已经内置在器件中，因此我们只需外接R0，一般R0选择1MΩ。如果选择使用晶体谐振器，一般C1，C2电容选择在15pF——30pF之间。5.3PCB布线设计在绘制电路PCB时，谐振电路的布线是很重要的，如果没有合理的布局，会扰乱振荡的频率，从而造成或死机复位。在谐振电路布线中，不使用跳线和过孔进行连接。连接芯片的线路，要求走直线，转角次数越少越好，线越宽越好并做到最短。两路与芯片的连接线，最好等长度，接地线最好与其他回路线的地分开，以消除线间分布电容电感，以及其他电路对谐振频率的干扰。5.4目前谐振器的使用情况目前我们在空调控制器中使用的谐振器（包含陶瓷谐振器与石英晶体振荡器），中频的谐振器（190－1250KHz），我们主要有两种：32.768KHz，455KHz。其他的谐振器基本都是高频的谐振器（1.8MHz—50MHz），频率点主要在2.5MHz—16MHz之间。前期经过对谐振器进行整理与优化工作，目前我们优选了7种美的家用空调国内事业部设计规范规范编号：QMN-J33.225-20098谐振器，如表1所示，以后的控制器设计，基本在这7类物料中选择。序号物料编码图号（代号）名称（规格）适用机型12230110002CST2.5MGW[定03]陶瓷诣振器R11遥控器及部分主控22230110006ST4.0MGW[定03]陶瓷诣振器R51遥控器及部分主控322301100108.38MHZ[定03]陶瓷诣振器主控4223011100132.768KHZ[定03]晶振R11、R51遥控器522301110024.194304MHZ[定03]晶振主控622301110045.00MHZ[定03]晶振主控72230111006455KHZ[定03]陶瓷诣振器专用芯片遥控器表1陶瓷谐振器的供应厂家，01年前，我们一直使用进口的村田品牌的谐振器。后来，随着国内陶瓷谐振器厂家技术的提高，以及成本下降的要求，目前我们主要使用国内厂家的谐振器，主要的厂家有浙江嘉康和宝通。石英晶体振荡器，目前我们也是使用国产的品牌，主要厂家有美的家用空调国内事业部设计规范规范编号：QMN-J33.225-20099深圳市泰科达电子有限公司，深圳市同懋电子有限公司，晶振的主要品牌为KDS。6复位电路设计6.1复位电路的功能6.1.1基本功能复位电路的基本功能是上电复位：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分—合过程中引起的抖动而影响复位6.1.2电源监控带电压监控的复位电路又叫电源监控电路。这种复位电路具备如下功能：上电复位：保障上电时能正确地启动系统；掉电复位：当电源失效或电压降到某一电压值以下时，复位系统。6.1.3多功能电源监控除了上电复位和掉电复位外，很多复位电路还集成了系统所需的多种功能，组成了多功能电源监控电路。电源测控：供电电压出现异常时提供预警指示或中断请求信号，方便系统实现异常处理；数据保护：当电源或系统工作异常时，对数据进行必要的保护，如写保护、数据备份或切换后备电池；美的家用空调国内事业部设计规范规范编号：QMN-J33.225-200910看门狗定时器：当系统程序“跑飞”或“死锁”时，复位系统；其它的功能：如温度测控、短路测试等等。6.2复位电路分析6.2.1基本复位电路图3所示的RC复位电路可以实现上电复位的基本功能（这两种电路也有的把他们分别称为微分电路与积分电路）。图5为其输入—输出特性。但这两种电路解决不了电源毛刺（A点）和电源缓慢下降（电池电压不足）等问题。而且调整RC常数改变延时会令驱动能力变差，左边的电路为高电平复位有效，右边为低电平，Sm为手动复位开关，Ch可避免高频谐波对电路的干扰。图3RC复位电路图4所示的复位电路增加了二极管，在电源电压瞬间下降时使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位，图5所示复位电路输入－输出特性图的下半部分是其特性，可与上半部比较增加放电回路的效果。美的家用空调国内事业部设计规范规范编号：QMN-J33.225-200911图4增加放电回路RC复位电路图5RC复位电路输入－输出特性6.2.2比较器型复位电路使用比较器型复位电路，不但可以解决电源毛刺造成系统不稳定问题，而且电源缓慢下降也能使系统可靠复位。图6是一个实例，当VCC×（R1／（R1+R2））0.7V时，Q1截止使系统复位。Q1的放大作用也能改善电路的负载特性。但跳变门槛电压(Vt)受VCC影响是该电路的突出缺点。使用稳压二极管可使Vt基本不受VCC影响，见图7。当VCC低于Vt（Vz＋0.7V）时电路令系统复位。美的家用空调国内事业部设计规范规范编号：QMN-J33.225-200912图6比较器型复位电路图7稳定门槛电压在此基础上，增加延时电容和放电二极管构成性能优良的复位电路，如图8所示。调节C1可调整延时时间，调节R1可调整负载特性。如图9所示上半部分是图7电路的特性，下半部分对应图8。图8实用的复位监控电路美的家用空调国内事业部设计规范规范编号：QMN-J33.225-200913图9带电压监控功能的复位电路的输入－输出特性6.2.3看门狗型复位电路看门狗型复位电路主要利用CPU正常工作时，定时复位计数器，使得计数器的值不超过某一值；当CPU不能正常工作时，由于计数器不能被复位，因此其计数会超过某一值，从而产生复位脉冲，使得CPU恢复正常工作状态。为提高单片机系统的抗干扰性，最好直接选用带有看门狗电路